诺奖得主预言得到证实:发现一种崭新的物质形态——时间晶体

“时间晶体”(time crystal)是由诺贝尔物理学奖得主、理论物理学家弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)于2012年首先提出的概念。它是什么?如果说一般晶体最核心的特征是空间上的周期性重复特征,那时间晶体就不仅存在空间上的重复,而且存在时间上的重复。更奇怪的是,它们处在持续振荡的状态中,却没有任何能量。

目前,这个概念已经得到学界的证实!去年8月,加州大学伯克利分校的物理学家Norman Yao及合作者详细报道了如何制造与刻画这种奇特的晶体,将论文发布在预印本网站arXiv上,近期发表在物理学权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。而实验科学家在看到发布在arXiv上的这篇论文后也开始进行实验研究,已有两组独立科学家团队表示,他们已经根据这一蓝图在实验室中制造出时间晶体,证实了这个全新物态的存在。

这个发现听起来可能很抽象,但它却预示着物理学的一个全新领域的存在。几十年来,我们一直研究的都是处于“平衡态”的物质,比如金属与绝缘体间的平衡。然而,科学家认为,宇宙中应该还存在着一些处在非平衡态的奇特物质,时间晶体就是其中一种。我们之前很少研究这些物质,但是现在我们知道这样的物质是真实存在的。

这第一例非平衡态物质的发现,将帮助我们更加深刻地理解周围世界,并且有助于我们理解新兴的科学技术,如量子计算。该项工作的主要研究者,来自加州大学伯克利分校的Norman Yao认为:“时间晶体带给我们的惊喜不仅在于它证明了新的物态的存在,更在于它说明了非平衡态物质的存在。20世纪后半叶,我们一直在研究金属-绝缘体等平衡态物质,现在我们才开始探索非平衡态物质这一全新领域。”

什么是时间晶体?

事实上,时间晶体的概念并非近年才提出,让我们先来回顾一下时间晶体概念的发展。

2012年,诺贝尔物理学奖得主、理论物理学家弗兰克·维尔切克首次预测了时间晶体的存在。普通晶体拥有在空间中重复排列的原子结构,例如钻石中的碳晶格。但是爱因斯坦的相对论告诉我们,世界是四维的,除了三维的空间之外,还有第四维度,也就是时间。因此,维尔切克就在想,会不会有在时间上重复的晶体呢?经过计算,他认为这类晶体不仅存在,而且具有一种奇特的性质:它在基态时也会维持振荡的状态。

通常情况下,当物质处于基态、也就是系统的零点能时,理论上是不可能发生运动的,因为运动需要消耗能量。但是维尔切克认为,这一通常假设并不适用于时间晶体。

时间晶体就像果冻一样,你轻轻一碰,它就一直抖动。但是这种运动的不同之处在于,它不消耗任何能量。时间晶体就像是在自然的基态条件下持续振荡的“果冻”,它不可能保持静止,这使得它成为一种拥有全新物态的非平衡态物质。

创造时间晶体

但是,预测时间晶体的存在是一码事,创造时间晶体完全是另外一码事,这也是新研究的切入点。

Yao及其团队详细描述了如何创造并衡量时间晶体的特性,他们甚至预测出了时间晶体的多种物相的特点。这意味着他们已经找到这种全新物质形态中等价于固相、液相、气相的物态。该研究成果发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters,PRL),Yao认为他们的文章是“理论观点与实验验证之间的桥梁”。

时间晶体的存在不再只是推测。基于Yao的实验方法,来自马里兰大学与哈佛大学的两个独立团队已经创造出各自的时间晶体。他们都已于去年年底在arXiv上发布了结果,并已向同行评审期刊提交了论文,这两篇论文的作者里都列上了Yao的名字。

在论文未发表前,我们理应对这两项研究保持一定的怀疑。但是,两个独立团队已经采用相同的方法在差异巨大的系统中创造出各自的时间晶体,这一结果确实令人振奋。

马里兰大学的时间晶体是通过将十个镱离子排成一列,并使它们的电子自旋相纠缠而得到的。

将这样排列的镱离子变为时间晶体的关键是使这些离子保持在非平衡态,为了达到这一目的,研究者们用两束激光对其进行交替照射。一束激光用于创造磁场,而另一束激光则用于快速地翻转部分原子自旋方向。由于所有原子的旋转纠缠在一起,这些原子最终进入一个稳定、重复的自旋翻转模型中,成为晶体。

上述过程不足为奇,但要创造时间晶体,系统必须打破时间对称性。在观察镱原子排列时,研究者们注意到了一些奇特的现象:定期照射镱原子的两束激光使镱原子系统产生了一种周期性重复,这一周期是激光照射周期的两倍,在通常的系统中观察不到这样的现象。

“如果你轻轻晃动吉露果子冻,却发现它以不同的频率抖动,这不是非常奇怪吗?”Yao说道。“但这就是时间晶体的本质特点。当一个系统接受以T为周期的周期性驱动时,系统会产生一种‘同步’,因此你会观察到系统以大于T的周期在振荡。”

在不同的磁场和不同的激光脉冲中,时间晶体会发生物态改变,就像冰块融化一样。

哈佛大学的时间晶体则与此不同。研究者们利用了钻石中紧密包裹的氮-空位中心制造时间晶体,得到与马里兰大学相同的结果。

印第安纳大学的Phil Richerme并未参与该项目的研究,他认为:“在两种非常不同的系统中都得到时间晶体这一事实表明时间晶体是一种全新的物质状态,而不仅仅属于有限或特定的系统。在不同的系统中均观察到时间晶体这一事实证实了对称性破缺基本可以发生在所有自然领域中,同时也为一些新领域研究开辟了道路。”